浅谈网络摄像机的选择与困惑

    网络视频监控正以惊人的速度在发展，大有取代模拟视频监控之势。同时，越来越多的客户也表现出对IP数字监控的青睐。那么在选择网络摄像机时，需要注意哪些因素呢？这便是本文所要讨论的。

    网络摄像机伴随着网络的发展飞速成长，它可以通过网络将影像传至地球另一端，且远端的浏览者不需要任何专业软件，只要标准的网络浏览器(如Microsoft IE 或Netscape)，即可监视其影像，并能进行录像。

    回头展望视频监控，曾经历了从低清晰度的模拟视频监控发展到现在的高清晰数字监控。虽然，目前数字监控还没有能完全取代模拟视频，但是网络视频监控已以非常惊人的速度发展着。同时，越来越多的客户在对今后监控设备的采购表现出选择IP数字设备的倾向。那么，在选择网络摄像机时需要注意些什么要素呢？除了传统模拟摄像机需要考虑的分辨率、色彩还原、最低照度、白平衡、信噪比、图像像差、日夜转换等等基本要素外，又多了许多与数字传输技术相关的技术点，如压缩编码格式、图像码率、帧率、移动侦测、网络录像、单/双码流、DDNS、PPPOE、DHCP、远程抓拍格式等等。下面将就这些问题进行简单探讨。

    如何选择IP摄像机

    成像质量

    成像质量是摄像机的灵魂，是需关注的重要指标之一。好的成像质量来自于镜头和成像器件。摄像机镜头的成像质量好坏将影响成像器件输出的信号质量。我们可以将镜头比喻是人的眼睛，而成像器件就是视网膜。

    1、镜头

    镜头种类繁多，但是即使同一类型的镜头，其成像质量也有着很大的差异，这主要是由于材质、加工精度和镜片结构的不同等因素造成的，同时也导致不同档次的镜头价格从几十元到几万元的巨大差异，比较著名的如四片三组式天塞镜头、六片四组式双高斯镜头。一个好的镜头，在分辨率、明锐度、光圈系数等方面都会有很好的表现，对各种像差的校正也比较好，但同时其价格也会高几倍甚至上百倍。

    像差是影响图像质量的重要方面，常见的像差有如下六种：球差、慧差、色差、像散、场曲、畸变。因此目前常用的镜头都是多片多组镜片加多层镀膜构成，其目的就是为了解决像差问题，使得成像更清晰锐利、色彩逼真。而镜头各参数间是存在相互影响和制约的，例如提高镜头光圈系数将会提高部分性能同时也会加大某些像差，所以在选择摄像机时应该综合考虑自己的实际应用情况来选择适合的镜头。如果掌握了一些规律和经验，就可以使用同档次的镜头却达到更好的效果。

    2、CCD还是CMOS

    CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别。

    从制造工艺上说CCD制造工艺较复杂，只有少数几个厂商，如索尼、松下、夏普等掌握这种技术，因此CCD摄像机的价格会相对比较贵。事实上经过技术改造，目前CCD和高级CMOS的实际效果的差距已经非常小了。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD，所以很多低档摄像头生产厂商采用普通CMOS感光元件作为核心组件。

    成像方面，在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而普通CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，普通CMOS的成像质量和CCD还是有一定差距。但由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。

    在原理上，CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，前者更为敏感，速度也更快，更为省电。现在高级的CMOS并不比一般CCD差，但是CMOS工艺还不是十分成熟，普通的CMOS一般分辨率较低而成像质量也较差。

    目前，许多低档入门型的摄像机使用廉价的低档CMOS芯片，成像质量比较差。普及型、高级型及专业型摄像机使用不同档次的CCD，个别专业型或准专业型数码相机使用高级的CMOS芯片。代表成像技术未来发展的X3芯片实际也是一种CMOS芯片。

    综上所述CCD与CMOS孰优孰劣不能一概而论，但就目前而言，在监控摄像机领域中普遍使用的CCD芯片的摄像机成像质量要好一些。

    3、模拟还是数字

    CCD摄像机按照输出信号分为模拟摄像机和数字摄像机。在模拟时代当然不用考虑数字还是模拟信号问题，但是到了IP摄像机领域就不得不考虑这个问题了。因为如果摄像机CCD板输出的是模拟信号，那么在摄像机电路上其实对CCD传来的电信号进行了一次模拟编码输出，视频编码模块在数字压缩前先要对CCD板路传来的模拟信号重新进行数字化，然后才能压缩输出。这样无形中就多出了一对没有必要的D/A-A/D转换过程。而在这个过程中多出的一对转换会带来无谓的信号损失。同时，由于模拟摄像机的扫描方式是隔行扫描的，还存在奇数场与偶数场之间的锯齿问题，数字输出的CCD可以选择逐行扫描的输出方式，清晰度又提高了一个层次。因此在选择IP摄像机的时候尽可能选择数字逐行扫描、信号直接压缩编码的IP摄像机（尽管成本上略有提升）。

    压缩方式

    IP摄像机和视频服务器作为视频网络应用的新型产品，适应网络传输的要求也必然成为产品开发的重要因素，而这其中视频图像的技术又成为关键。在目前中国IP摄像机和视频服务器的产品市场上，各种压缩技术百花齐放，各有优势，为用户提供了很大的选择空间。

    在IP视频发展的初期有相当一部分国内外IP摄像机和视频服务器都是采用JPEG、Motion-JPEG压缩技术。JPEG、M-JPEG采用的是帧内压缩方式，图像清晰、稳定，适用于视频编辑，而且可以灵活设置每路的视频清晰度和压缩帧数。另外，因其压缩后的格式可以读取单一画面，因此可以任意剪接，特别适用于安防取证的用途。但是由于其对网络带宽的要求过高，因此无法在带宽相对较窄的互联网上传输。最近几年出现了MPEG4和H.264压缩标准，而分辨率也从原来的CIF发展到了现在的300万像素超高清晰度。

    但是有一点需要提醒注意，在欧美M-JPEG是司法认可的视频证据格式，而压缩效率高的MPEG-4/H.264并没有得到司法证据认可。尽管如此，MPEG-4/H.264的压缩标准还是得到了广大用户的认可和好评。

    1、M-JPEG

    M-JPEG的主要缺点是压缩效率低，M-JPEG算法是根据每一帧图像的内容进行压缩，而不是根据相邻帧图像之间的差异来进行压缩，因此造成了大量冗余信息被重复存储，即使是在320*240尺寸的图像下，存储占用的空间一般至少达到每帧8~15K字节，即使按照这个标准每秒25帧计算，每秒数据量也将达到200K~375K，如果画面尺寸达到D1标准则至少需要900K~2M的带宽。目前流行的M-JPEG技术最大压缩也只能做到每帧3K字节，但如果采用如此的压缩比，视频质量会严重降低。即使是丢帧传输或录像，也将耗费大量的网络带宽和硬盘空间，尤其在摄像机较多时，它的数据传输量和存储量是十分惊人的。在码流比较低的情况下M-JPEG的图像质量要明显低于MPEG4压缩模式。

    因此除了在局域网内，或者广域网不要求实时、很少存储的前提下，才考虑使用M-JPEG的压缩模式。采用M-JPEG格式的IP摄像机产品在同等条件下价格也普遍低于采用MPEG-4/H.264格式的产品。

    2、MPEG-4/H.264

    MPEG-4/H.264是专为音视频信息在因特网实时传输音/视频讯号而制定的最新MPEG标准。它利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量，通过动态地监测图像每个区域的变化，按对象的空间和时间特征来调整压缩方法，从而可以获得比M-JPEG更大的压缩比、更低的压缩码流和低带宽下更佳的图像质量，是目前全球公认的优秀的压缩算法之一。MPEG-4基于场景描述面向带宽设计的压缩算法，使得在视频监控领域中有以下几个巨大的优势：录像存储量大大降低、录像清晰度得到保障、录像帧数可调、网络传输更加方便。

    网络模式

    从网络摄像机接入网络的模式可以分为局域网、城域网、广域网三种；按照线路接入模式又可分为有线与无线两大类。一般一路CIF图像在MPEG-4/H.264压缩模式下仅仅需要200K左右的带宽就可以达到实时传输、录像。用户在选择IP摄像机的时候应该根据自己需要摄像机的数量，需要同时远程监看、录像的数量，综合计算网络带宽需求。在局域网下，基本上可以不用考虑线路带宽问题，只需要考虑交换机的吞吐量，选择足够的交换机背板带宽即可。城域网下，例如电信全球眼，电信部门预留了足够带宽的线路。而在广域网上最大的问题在于上行带宽问题，国内现在可以提供的ADSL上行带宽目前只有512K左右，因此使用成本是用户必须考虑的问题之一。

    摄像机功能

    从今年的几次展会上可以清楚地体现出产品细分的趋势，IP摄像机不再局限于桌上型和枪机型，随着IP摄像机技术的成熟和用户需求的日益强烈，IP摄像机也繁衍出了很多种类，并逐步走向细分市场。现在市场上几乎所有传统摄像机的形式都已经有对应的IP摄像机，而且针对网络传输特点还有更多的衍生品种。比如说：红外日夜两用型IP摄像机、快速球型IP摄像机、匀速球型IP摄像机、云台控制一体化IP摄像机，还有支持无线局域网、支持SD卡存储、USB存储、网络供电（POE）等等特殊功能的IP摄像机。未来随着技术的进一步发展，IP摄像机的发展空间将无法估量。

    随着市场成熟程度的不断提高，IP摄像机的功能也越来越丰富，用户在明确了自己目前需要的基本功能后，就可以到市场上去对号入座寻找相应的产品了。比如说，用ADSL方式直接接入一个IP摄像机，而且这条线路不需要和任何人共享数据，那么就可以考虑使用带PPPOE、DDNS功能的 IP摄像机，它可以直接连接ADSL MODEM接入互联网。又或者，我们需要一个快速球机能够通过网络远程操控，那么就要选择一个带网络功能的IP快球来实现我们的需求。

    高清晰画面

    随着CCD价格的快速下降，以及算法的提升，IP摄像机无疑会快速达到百万像素，甚至三百万像素的分辨率。高清晰化将彻底摆脱普通模拟摄像机在图像上的优势地位，成为监控的新标准之一。然而目前百万像素IP摄像机的价格高企，以及存储压缩方式的滞后，高清晰化的代价是非常巨大的，这样的数据在目前的互联网上无法

    制约IP摄像机的因素

    因素之一：带宽

    IP摄像机在视频网络应用方面遇到的最大的瓶颈之一就是传输带宽。尽管目前IP摄像机已经有了H.264压缩、动态码流等数据流量控制技术，但不可否认的是要获得更高的成像质量就一定需要更高的网络带宽，按照目前的压缩技术传输百万像素的影像，在局域网上是没有问题的。但是目前的广域网传输方式中：ADSL受技术限制，上行实际带宽一般都在512K左右；数据专线或者光纤的成本的确偏高。ADSL的上行带宽仅仅只能传输一路质量勉强的D1实时影像，但随着技术的不断进步，IP摄像机普及百万像素已经近在咫尺，传输成为困扰IP影像的一个大问题，因为我们不可能为每个摄像机安装局域网或者光纤。

    解决之道

    随着新技术应用和网络宽带接入方式的不断革新，类似ADSL2+、VDSL2等新技术的普及应用，上行带宽最高可达到26M，网络上行带宽问题将得到改善，IP摄像机的民用化市场就有可能启动，届时IP摄像机的监控职能的概念可能会有所模糊，人们将在更广泛的意义上应用IP摄像机。

    因素之二：成本

    IP摄像机虽然在多路方案、远程方案中设备整体造价要优于传统监控方式，但是在小范围内，在标准清晰度要求下，造价还是要高于传统摄像机加DVR的方式。这只是计算了前端摄像机和录像设备方面成本的区别，如果涉及到远程方式，在ADSL线路无法满足的高清晰传输时，专线或者光纤宽带的租金等，将会造成高额的使用成本。这将直接影响客户是否选择IP摄像机。

    解决之道

    似乎这个问题目前正在突破中，随着产量的高速增加，IP摄像机的成本会继续下降，网络成本也在逐步下降。因此网络摄像机的使用成本问题将不复存在，随着网络摄像机的高清时代到来，性价比也将奠定网络摄像机的优势地位。

    因素之三：清晰度认识的误区

    目前传统摄像机分辨率是704×576，换算出来就40多万像素，分辨率不算高，甚至赶不上一个好点的手机摄像头。受传统模拟技术与设备的限制，普通摄像机分辨率上升的空间极为有限。目前很多厂家的IP摄像机基本上沿用了传统的摄像机CCD，取得摄像机CCD的模拟信号输出给视频压缩模块转成网络信号，这样经过两次转换，图像质量不但受到模拟信号质量的影响，压缩效率也低很多。

    很多人从直观上感受，还是觉得模拟摄像机比IP摄像机清晰，其实这个问题很复杂，涉及很多因素，如CCD质量、镜头质量、压缩编码方式、显示回放方式等等。要说清这个清晰度的差别，就先要了解一下，在什么情况下模拟摄像机比IP摄像机清晰。IP摄像机对图像是带压缩的，IP摄像机在码流低的情况下图像效果的确是不够清楚的，但那是不公平的对比，因为模拟摄像机是不对图像做压缩的，而且也不能利用公共网络远距离传输的。但是IP摄像机在1M甚至更高的码流下，和模拟摄像机在显示的效果基本上没有区别。

    就两种成像方式而言，单从回放方式上就存在着根本的区别，如果用模拟监视器和摄像机直接连接看图像，中间几乎没有任何转换，全是模拟信号，的确很清楚；但是IP摄像机要显示的时候必须通过解码器，转换成模拟信号，这样就等于多做了模拟到数字，再从数字到模拟的转换，无疑会增加信号的损失。如果是采用纯数字高清的IP摄像机（1080P）在数字接口的高清液晶显示器上显示的效果，我想是没有一个模拟摄像机能比的（如目前的高清数字电视）。因为IP摄像机的最大优势就在于它在技术上几乎可以不受分辨率的限制，所以从长远来看IP摄像机的清晰度随着网络带宽的变化将不再成为问题，而且随着高清时代的到来，704×576的D1图像标准将不再风光。

    解决之道：

    1、突破模拟信号这个中间环节，实现摄像机CCD数字信号直接到网络信号的转换，即能提高压缩效率又能大幅提升画面品质。

    2、百万像素高分辨率，网络视频编码技术上目前已经出现了高分辨率的编码格式，可以实现1080P甚至更高分辨率的影像尺寸。或许只有百万像素成为标准的时候，IP摄像机才能真正突破清晰度的争论，冲出模拟摄像机的重围。

    因素之四：无线的代价

    任何摄像机在遇到超出线路覆盖地区的监控时，都会遇到一个问题，那就是远程传输问题，一般在数十千米数量级的距离上一般都会选择无线方式，光一对传输距离在20千米的宽带传输设备的价格就在数万元，因此这绝对不是一个最佳的解决之道，只能是无奈之下的选择。而目前我们能用到的无线广域网是属于2.5G的无线通讯方式，标称传输最快的CDMA带宽，理论值也不过区区150Kb左右，而实际传输效率更是大打折扣，一般只能达到64Kb左右的实际传输带宽。在这样窄的带宽下连一路CIF图像都无法实现实时的传输。

    解决之道：

    在广域无线接入方式下，似乎我们能够期盼的只有3G通信的发牌，3G通信模式下将提供上行2M的带宽，数十公里范围内的接入，全国绝大多数地域的覆盖。如果3G的接入成本随着应用的广泛迅速降低到一定程度，那将对现行的网络视频监控传输方案产生深远的影响。没有了线的束缚，又加上带宽的优势，3G时代的来临将会颠覆目前的传统监控组网方式。

    结语

    IP摄像机的优点在于远程视频监控方面的技术优势，从而扩大了图像监控的应用范围，强化了视频图像在远程管理、视频资料共享等方面的重要性。但是提到IP摄像机的选择与瓶颈问题时，谈的最多的就是：IP摄像机和视频服务器的网络带宽、图像质量、延时、软件系统的兼容性和价格等问题，这些问题有些已经得到改进，但有些还没有取得实质性的突破。

    说到底，就是如何解决IP摄像机在图像质量上与传统技术的差距，发挥IP摄像机的长处（系统自成体系、远程传输、基础成本的降低）。因此，厂家在开发IP摄像机产品的同时，也要加强IP摄像机的应用模式和服务模式的研究，由此来激发潜在的IP摄像机市场需求。

    因此我们有理由相信，IP摄像机的功能在不断完善的同时，正在经历一个非常巨大的历史机遇。随着网络基础设备的不断更新，网络视频技术日臻完善并得到越来越多的认可，2008年奥运会、2010世博会的举办，仅仅在中国大陆地区就将营造出一个巨大的安防监控市场，而IP摄像机作为集新一代摄像机技术和网络技术于一身的宠儿，将获得无法估量的发展与进步。